Исследователи из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского вместе с иностранными коллегами выяснили, как движутся магнитные вихри в сверхтонких проводящих пленках. Авторы показали, что большую роль играет не только величина магнитного возмущения, но и структура материала.

Результаты работы помогут создать эффективные устройства для хранения и передачи информации. Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Communications.

Магнитное и электрическое поля связаны между собой — первое порождает второе, и наоборот. Проводящие пленки толщиной меньше микрометра способны генерировать внутри себя завихрения — скирмионы — при воздействии магнитного поля. Размер этих вихрей измеряется в нанометрах, а ведут они себя так, словно являются настоящими частицами какого-то материала: могут двигаться и отвечать на изменения в магнитном поле.

Магнитное поле в пленках неоднородное, в нем есть зоны с повышенной и пониженной напряженностью. Внутри магнитной пленки распространяются спиновые волны — волны намагниченности, которые создаются благодаря тепловым колебаниям атомов решетки материала. Кроме того, так же, как и для воздушных вихрей, свойства скирмионов и спиновые волны зависят от ландшафта под ними. Размер скирмионов во многом определяется дефектами внутри и на поверхности материала. При этом скирмионы могут приходить в движение под действием спиновых волн.

Поддержанные грантом Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда исследователи провели анализ спинового транспорта в многослойных сверхтонких магнитных пленках. Авторы новой работы изучили процессы формирования в них стабильных скирмионов.

В качестве объекта исследования ученые использовали тонкие пленки толщиной в несколько нанометров. С помощью мандельштам-бриллюэновской спектроскопии исследователи измеряли колебания локального магнитного поля. Для этого ученые фокусировали пучок излучения на образце и замеряли, как меняются свойства луча. Частицы света теряют часть энергии или, наоборот, приобретают дополнительную после взаимодействия с магнитными волнами.

В результате ученые заметили, что скирмионами можно управлять, воздействуя на них электрическим током, однако наибольший вклад вносит микроструктура материала, по которому движутся эти вихри. Даже небольшие царапинки и несовершенства приводят к отклонению магнитных вихрей.

Кроме того, ранее считалось, что скирмион может отклоняться от направления управляющего им электрического тока на угол, который зависит от размера завихрения. Авторы нового исследования показали, что для скирмионов диаметром от 35 до 825 миллионных долей миллиметра угол остается неизменным и равен 9°. Это значит, что направление движения скирмионов в определенном интервале размеров будет одинаковым.

Результаты исследования открывают путь для создания управляемых устройств «беговой памяти», которые способны разделять скирмионы по размеру и кодировать с помощью этого параметра информацию. Также такие устройства будут способны быстро обращаться к данным, записанным в скирмионах нужного типа.